Przydatne wskazówki

Wzbogacanie uranu

Pin
Send
Share
Send
Send


Wzbogacanie uranu jest jednym z kluczowych kroków w tworzeniu broni jądrowej. W reaktorach jądrowych i bombach działa tylko pewien rodzaj uranu.

Oddzielenie tego rodzaju uranu od bardziej rozpowszechnionej odmiany wymaga wielkich umiejętności inżynieryjnych, pomimo faktu, że niezbędna do tego technologia istnieje od dziesięcioleci. Zadaniem nie jest ustalenie, jak oddzielić uran, ale zbudowanie i uruchomienie sprzętu niezbędnego do wykonania tego zadania.

Atomy uranu, podobnie jak atomy pierwiastkowe występujące w przyrodzie w różnych odmianach, nazywane są izotopami. (Każdy izotop ma inną liczbę neutronów w swoim jądrze.) Uran-235, izotop, który stanowi mniej niż 1 procent całego naturalnego uranu, stanowi paliwo dla reaktorów jądrowych i bomb jądrowych, podczas gdy uran-238, izotop, który stanowi 99 procent naturalny uran nie ma zastosowania jądrowego.

Stopnie wzbogacania uranu

Jądrowa reakcja łańcuchowa implikuje, że co najmniej jeden neutron z rozpadu atomu uranu zostanie przechwycony przez inny atom i odpowiednio spowoduje jego rozpad. W pierwszym przybliżeniu oznacza to, że neutron musi „potknąć się” na atomie 235 U przed opuszczeniem reaktora. Oznacza to, że konstrukcja z uranem powinna być wystarczająco zwarta, aby prawdopodobieństwo znalezienia następnego atomu uranu dla neutronu było wystarczająco wysokie. Ale gdy reaktor 235 U działa, stopniowo wypala się, co zmniejsza prawdopodobieństwo spotkania neutronu z atomem 235 U, co zmusza ich do położenia pewnego marginesu tego prawdopodobieństwa w reaktorach. W związku z tym niski udział 235 U w paliwie jądrowym wymaga:

  • większa objętość reaktora, aby neutron był w nim dłużej
  • większa część objętości reaktora powinna być zajmowana przez paliwo w celu zwiększenia prawdopodobieństwa zderzenia neutronu i atomu uranu,
  • częściej konieczne jest ponowne załadowanie paliwa na świeże, aby utrzymać daną gęstość nasypową 235 U w reaktorze,
  • wysoki udział cennego 235 U w wypalonym paliwie.

W procesie udoskonalania technologii jądrowej znaleziono optymalne ekonomicznie i technologicznie rozwiązania, które wymagały zwiększenia zawartości 235 U w paliwie, czyli wzbogacenia uranu.

W przypadku broni nuklearnej zadanie wzbogacania jest prawie takie samo: wymagane jest, aby w niezwykle krótkim czasie wybuchu nuklearnego maksymalna liczba 235 atomów U znalazła swój neutron, rozpad i uwolnienie energii. W tym celu wymagana jest maksymalna możliwa gęstość nasypowa atomów 235 U, co można osiągnąć przy maksymalnym wzbogaceniu.

Stopnie wzbogacania uranu [edycja |

Klucz do separacji

Kluczem do ich rozdzielenia jest to, że atomy uranu-235 ważą nieco mniej niż atomy uranu-238.

Aby oddzielić niewielką ilość uranu-235, która jest obecna w każdej naturalnej próbce rudy uranu, inżynierowie najpierw przekształcają uran w gaz za pomocą reakcji chemicznej.

Następnie gaz wprowadza się do probówki wirówkowej o kształcie cylindrycznym wielkości osoby lub większej. Każda rura obraca się wokół własnej osi z niewiarygodnie dużymi prędkościami, przyciągając cięższe cząsteczki gazu uranu-238 do środka rurki, pozostawiając lżejsze cząsteczki gazu uranu-235 bliżej krawędzi rury, skąd można je wyssać.

Za każdym razem, gdy gaz obraca się w wirówce, tylko niewielka ilość gazu uran-238 jest usuwana z mieszaniny, więc rury są używane szeregowo. Każda wirówka wyciąga trochę uranu-238, a następnie przenosi lekko oczyszczoną mieszaninę gazów do następnej rury itp.

Konwersja gazu uranowego

Po oddzieleniu gazowego uranu-235 na wielu etapach wirówek, inżynierowie stosują inną reakcję chemiczną, aby przekształcić gaz uranowy z powrotem w metal stały. Metal ten można później wytworzyć w reaktorach lub bombach.

Ponieważ każdy etap czyści mieszaninę gazu uranowego tylko w niewielkiej ilości, kraje mogą sobie pozwolić tylko na wirówki zaprojektowane z najwyższą wydajnością. W przeciwnym razie produkcja nawet niewielkiej ilości czystego uranu-235 staje się zbyt droga.

A projektowanie i produkcja tych probówek wirówkowych wymaga pewnego poziomu inwestycji i wiedzy technicznej, która jest niedostępna dla wielu krajów. Rury wymagają specjalnych rodzajów stali lub mieszanin, które wytrzymują znaczne ciśnienie podczas obrotu, muszą być całkowicie cylindryczne i wykonane przez trudne do zbudowania specjalistyczne maszyny.

Oto przykład bomby, którą USA zrzuciły na Hiroszimę. Zbudowanie bomby wymaga 62 kg uranu-235, zgodnie z „budowaniem bomby atomowej” (Simon i Schuster, 1995).

Oddzielenie tych 62 kg od prawie 4 ton rudy uranu nastąpiło w największym budynku na świecie i zużyło 10 procent energii elektrycznej w kraju. „Budowa obiektu zajęła 20 000 osób, 12 000 osób obsługiwało obiekt, a wyposażenie w 1944 r. Kosztowało ponad 500 milionów dolarów.” To około 7,2 miliarda dolarów w 2018 roku.

Dlaczego wzbogacony uran jest tak straszny?

Uran lub pluton klasy broni jest niebezpieczny w czystej postaci z jednego prostego powodu: z nich, z pewną bazą techniczną, można stworzyć wybuchowe urządzenie jądrowe.

Rysunek pokazuje schematycznie prostą głowicę jądrową. Kęsy 1 i 2 paliwa jądrowego znajdują się wewnątrz skorupy. Każda z nich jest jedną z części całej kuli i waży nieco mniej niż masa krytyczna metalu broni użytego w bombie.

Kiedy detonujący ładunek TNT jest detonowany, wlewki uranu 1 i 2 są łączone w jeden, ich całkowita masa z pewnością przekracza masę krytyczną tego materiału, co prowadzi do jądrowej reakcji łańcuchowej, a w konsekwencji do wybuchu atomowego.

Nie wydawałoby się to skomplikowane, ale w rzeczywistości tak nie jest. W przeciwnym razie na planecie byłoby więcej rządów krajów z bronią nuklearną. Ponadto znacznie wzrosłoby ryzyko, że takie niebezpieczne technologie dostaną się w ręce wystarczająco potężnych i rozwiniętych grup terrorystycznych.

Sztuka polega na tym, że tylko bardzo bogate moce z rozwiniętą infrastrukturą naukową są w stanie wzbogacić uran, nawet przy obecnym rozwoju technologii. Jeszcze trudniejsze, bez którego urządzenie atomowe nie działałoby, należy oddzielić izotopy uranu 235 i 238.

Kopalnie uranu: prawda i fikcja

W ZSRR, na poziomie filistyńskim, istniała hipoteza, że ​​skazani są na przestępców pracujących w kopalniach uranu, w ten sposób obnażając swoją winę wobec partii i narodu radzieckiego. To oczywiście nie jest prawda.

Wydobycie uranu to zaawansowany technologicznie przemysł wydobywczy i mało prawdopodobne jest, aby ktokolwiek przyznał się do pracy z wyrafinowanym i bardzo drogim sprzętem oraz zabójczych zabójców z rabusiami. Co więcej, pogłoski, że górnicy uranu koniecznie noszą maskę przeciwgazową i bieliznę z ołowiu, są niczym więcej niż mitem.

Uran jest wydobywany w kopalniach czasami o głębokości nawet jednego kilometra. Największe rezerwy tego pierwiastka występują w Kanadzie, Rosji, Kazachstanie i Australii. W Rosji jedna tona rudy wytwarza średnio około półtora kilograma uranu. To wcale nie jest największy wskaźnik. W niektórych kopalniach europejskich liczba ta osiąga 22 kg na tonę.

Tło promieniowania w kopalni jest mniej więcej takie samo, jak na granicy stratosfery, na której łatane są cywilne samoloty pasażerskie.

Ruda uranu

Wzbogacanie uranu rozpoczyna się natychmiast po wydobyciu, bezpośrednio w pobliżu kopalni. Oprócz metalu, jak każdej innej rudy, uran zawiera odpadowe skały. Początkowy etap wzbogacania sprowadza się do sortowania bruku wyniesionego z kopalni: bogatych w uran i ubogich. Dosłownie każdy kawałek jest ważony, mierzony maszynowo i, w zależności od właściwości, wysyłany do określonego strumienia.

Następnie wchodzi młyn, mieląc bogatą w uran rudę w drobny proszek. Nie jest to jednak uran, a jedynie jego tlenek. Uzyskanie czystego metalu jest najbardziej skomplikowanym łańcuchem reakcji chemicznych i przemian.

Jednak nie wystarczy izolować czysty metal od wyjściowych związków chemicznych. Z całkowitego uranu zawartego w naturze 99% jest zajęte przez izotop 238, a jego 235. odpowiednik jest mniejszy niż jeden procent. Rozdzielenie ich jest bardzo trudnym zadaniem, którego nie każdy kraj może rozwiązać.

Metoda wzbogacania metodą dyfuzji gazowej

Jest to pierwsza metoda wzbogacania uranu. Jest nadal używany w USA i Francji. Na podstawie różnicy gęstości izotopów 235 i 238. Gaz uranowy uwalniany z tlenku jest pompowany pod wysokim ciśnieniem do komory oddzielonej membraną. Atomy 235 izotopu są lżejsze, dlatego z odbieranej części ciepła poruszają się szybciej niż „powolne” atomy uranu odpowiednio 238, częściej i intensywniej uderzają w błonę. Zgodnie z prawami teorii prawdopodobieństwa są bardziej prawdopodobne, że dostaną się do jednego z mikroporów i znajdą się po drugiej stronie tej membrany.

Skuteczność tej metody jest niewielka, ponieważ różnica między izotopami jest bardzo, bardzo mała. Ale jak uczynić wzbogacony uran odpowiednim do użycia? Odpowiedzią jest stosowanie tej metody wiele, wiele razy. W celu uzyskania uranu odpowiedniego do produkcji paliwa z reaktora w elektrowni układ oczyszczania dyfuzji gazowej powtarza się kilkaset razy.

Opinie ekspertów na temat tej metody są mieszane. Z jednej strony metoda separacji dyfuzyjnej gazu jest pierwszą, która dostarcza Stanom Zjednoczonym wysokiej jakości uran, co czyni je tymczasowo liderem w sferze wojskowej. Z drugiej strony uważa się, że dyfuzja gazu powoduje mniej odpadów. Jedyną rzeczą, która zawodzi w tym przypadku, jest wysoka cena produktu końcowego.

Metoda wirowania

To jest rozwój radzieckich inżynierów. Obecnie oprócz Rosji istnieje wiele krajów, w których uran jest wzbogacany metodą odkrytą w ZSRR. Są to Brazylia, Wielka Brytania, Niemcy, Japonia i niektóre inne państwa. Metoda jest podobna do technologii dyfuzji gazowej, ponieważ wykorzystuje różnicę masy izotopów 235 i 238.

Gaz uranowy wiruje w wirówce do 1500 obr./min. Ze względu na różne gęstości na izotopy działają siły odśrodkowe o różnych rozmiarach. Cięższy uran 238 gromadzi się w pobliżu ścian wirówki, a 235. izotop zbliża się do centrum. Mieszanina gazowa jest pompowana na górę cylindra. Po przejściu do dolnej części wirówki izotopy mają czas na częściowe rozdzielenie i są wybierane osobno.

Pomimo tego, że metoda nie zapewnia również 100% separacji izotopów, a aby osiągnąć niezbędny stopień wzbogacenia, należy ją stosować wielokrotnie, jest jednak znacznie bardziej ekonomicznie wydajna niż dyfuzja gazu. Tak więc wzbogacony uran w Rosji przy użyciu technologii wirówkowej jest około 3 razy tańszy niż w przypadku amerykańskich membran.

Wzbogacona aplikacja uranu

Dlaczego cała ta skomplikowana i kosztowna biurokracja z oczyszczaniem, separacją metali od tlenków, separacją izotopów? Jedna płuczka wzbogaconego uranu 235, stosowanych w energetyce jądrowej (z takich „pigułek” to montowane pręty - pręty paliwowe), o wadze 7 gramów zastępuje około trzy 200-litrowe beczki benzyny lub około tony węgla.

Wzbogacony i zubożony uran stosuje się różnie w zależności od czystości i stosunku izotopów 235 i 238.

Izotop 235 jest paliwem bardziej energochłonnym. Wzbogacony uran jest brany pod uwagę, gdy zawartość 235 izotopów wynosi ponad 20%. To jest podstawa broni nuklearnej.

Wzbogacone, nasycone energią surowce są również wykorzystywane jako paliwo do reaktorów jądrowych na okrętach podwodnych i statkach kosmicznych ze względu na ograniczoną masę i wielkość.

Zubożony uran, zawierający głównie 238 izotopów, jest paliwem dla cywilnych stacjonarnych reaktorów jądrowych. Naturalne reaktory uranowe są uważane za mniej wybuchowe.

Nawiasem mówiąc, według obliczeń rosyjskich ekonomistów, przy utrzymaniu obecnego tempa produkcji 92 elementów układu okresowego, jego rezerwy w odkrywkowych kopalniach na całym świecie zostaną już wyczerpane do 2030 r. Właśnie dlatego naukowcy oczekują syntezy jako źródła taniej i niedrogiej energii w przyszłości.

Pin
Send
Share
Send
Send